軌道を回るカエルの耳石
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 軌道を周回するカエルの耳石（OFO）宇宙船 | |
| ミッションタイプ | バイオサイエンス |
|---|---|
| オペレーター | 米航空宇宙局（NASA） |
| コスパーID | 1970-094A |
| SATCAT番号 | 04690 |
| ミッション期間 | 6日間 |
| 宇宙船の特性 | |
| メーカー | エイムズ研究センター |
| 打ち上げ質量 | 132.9キログラム（293ポンド） |
| 寸法 | 1.68 × 0.76 m (5.5 × 2.5 フィート) |
| ミッション開始 | |
| 発売日 | 1970年11月9日 06:00:00 UTC ( 1970-11-09UTC06Z ) |
| ロケット | スカウトB S174C |
| 発射場 | ワロップスLA-3A |
| ミッション終了 | |
| 着陸日 | 1971年5月9日 （1971年5月10日） |
| 軌道パラメータ | |
| 参照システム | 地心説 |
| 政権 | 低地 |
| 偏心 | 0.02009 |
| 近地点高度 | 300キロメートル（190マイル） |
| 遠地点高度 | 574キロメートル（357マイル） |
| 傾斜 | 37.3981度 |
| 期間 | 93.3分 |
| ラーン | 223.1857度 |
| 近地点引数 | 136.8142度 |
| 平均異常 | 226.2623度 |
| 平均運動 | 16.50400352 |
| エポック | 1971年5月9日 |
| 革命No. | 2843 |
軌道上のカエルの耳石（OFO）は、1970年11月9日に無重力状態の研究のために2匹のウシガエルを軌道上に打ち上げたNASAの宇宙計画でした。この名称は、この衛星に搭載された生物学的実験の機能的な説明として、一般的に使われていたことから由来しました。耳石とは、カエルの内耳の平衡感覚機構を指していました。
周回カエル耳石プログラムは、NASA先端研究技術局（OART）の研究プログラムの一環でした。OARTの目標の一つは、宇宙と地球における前庭系の機能を研究することでした。この実験は、持続的な無重力状態への耳石の適応性を研究し、有人宇宙飛行のための情報を提供することを目的として設計されました。耳石は内耳にある構造物で、平衡制御、すなわち重力に対する加速度を主要な感覚入力として捉えています 。
カエルの耳石実験（FOE）は、イタリアのミラノ大学のトルクァート・グアルティエロッティが、米国科学アカデミーの支援を受けてエイムズ研究センターに常駐研究員として配属されていたときに開発されました。[ 1 ]当初は1966年に初期のアポロ計画に組み込まれる予定でしたが、その計画が中止されたため延期されました。1967年後半、支援宇宙船の設計が可能になった時点で、FOEを軌道に乗せる許可が与えられました。NASAのヒューマンファクターシステム計画の一部であるこのプロジェクトは、1968年に正式に「OFO」と命名されました。一連の遅延の後、OFOは1970年11月9日に軌道に乗せられました。
1970年のOFO-Aミッションの成功後も、研究への関心は継続しました。1975年には、地球周回宇宙船で前庭機能実験を行う「前庭機能研究」プロジェクトが開始されました。この飛行プロジェクトは最終的に中止されましたが、地上での研究は数多く実施されました。この研究は、 ARCにある地上型前庭研究施設をはじめ、いくつかの非常に有用な派生研究を生み出しました。[ 2 ]
OFO は、軌道地球物理観測所(OGO)、軌道太陽観測所(OSO)、軌道天文観測所(OAO) など、軌道天文台シリーズの宇宙船を表す同様の頭字語と混同しないでください。
OFO宇宙船
OFO実験は当初、アポロ月面ミッションで使用されたハードウェアを最大限に活用するために設立されたアポロ応用計画の一環として飛行させることが計画されていました。しかし、実験に必要な低加速度を有人アポロ宇宙船で維持することは容易ではなかったため、後に無人衛星がより適切な宇宙船として選定されました。この衛星の設計により、10 −3 g (10 mm/s²)を超える加速度への曝露が排除されました。これにより、実験対象はほぼ無重力状態を体験することができました。
宇宙船の直径は約30インチ（760 mm）、長さは47インチ（1,200 mm）であった。[ 2 ]宇宙船の八角形の下部には電子機器が収納されていた。実験パッケージを収めた上部は円錐台形であった。この上部を覆う熱シールドが、大気圏再突入時に実験装置を保護した。ヨーヨー型デスピンアセンブリが宇宙船の胴回りに配置されていた。宇宙船の側面に折り畳まれた4本のブームが、衛星の周囲に放射状に配置されていた。宇宙船が打ち上げロケットから分離された後、ヨーヨー型デスピンサブシステムが宇宙船の回転を減速させた。その後、4本のブームが解放され、宇宙船の側面から伸びた。ブームの伸びにより宇宙船の慣性モーメントが増加し、加速度レベルを10 −3 g未満に抑えることができた。[ 2 ]
軌道を回るカエルの耳石-A
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OFO-Aミッションは、1970年11月9日（午前6時、グリニッジ標準時）にワロップス島の発射場から打ち上げられました。OFO-A実験装置を搭載した衛星は、ほぼ7日間軌道上に留まりました。宇宙船の回収は計画されていませんでした。ペイロードはカエル耳石実験装置（FOEP）でした。
この実験の目的は、地球の重力場内での動物の向きの変化に反応する感覚器官である耳石に対する微小重力の影響を調査することだった。
飛行実験では、 2匹のアメリカウシガエル（Rana catesbeiana）が実験対象として使用されました。ウシガエルが研究対象に選ばれたのは、その内耳迷路がヒトのものと非常に類似しているためです。両生類であるため、飛行前の手術は水上で行うことができましたが、飛行中は水中に留まることができました。水は、打ち上げ時の振動と加速を緩和し、生物とのガス交換を促進する役割を果たしました。
カエルはルイジアナ州レインにあるルイジアナ・フロッグ・カンパニーから調達された。この町は20世紀初頭から中頃にかけて国内最大のカエル輸出地であり、「世界のカエルの首都」として既に知られていた。[ 3 ]地元の下院議員（後に4期知事）のエドウィン・エドワーズは、故郷のクローリーから東に6マイル離れたレインとNASAの関係構築に尽力した。[ 3 ]レイン産のカエル20匹が評価のためにNASAに送られ、そこで4匹のグループに絞り込まれた。そのうち2匹は軌道上に、残りの2匹は予備クルーとして残ることとなった。[ 4 ] [ 3 ]宇宙に送り出された2匹の標本は、ピエールとティー・ノム（ルイジアナのフランス語で「小さな名前」の意味）と名付けられた。[ 5 ]
飛翔カエルは両方とも、胸腔に心電図（ECG）電極、前庭神経に微小電極が埋め込まれていた。カエルは、埋め込まれた電極が外れるのを防ぎ、代謝率を低下させるために、四肢神経を切断することで運動機能が低下した。[ 6 ]この代謝低下により、カエルは1ヶ月間も餌を与えずに生存することができた。水に浸すことで、カエルは皮膚呼吸が可能になった。また、水は二酸化炭素と熱をカエルから排出するのにも役立った。
ハードウェア
飛行ハードウェアユニットであるFOEPは、 2匹のカエルを収容する水を満たした遠心分離機を内蔵した耐圧容器であった。遠心分離機は円筒形の構造で、決められた間隔でカエルの頭を回転させた。 [ 6 ] FOEPには、カエルのために制御された環境を維持できる生命維持装置も含まれていた。このシステムは、1つは液体、もう1つはガスを含む2つの閉ループで構成されていた。2つのループ間のインターフェースは、人工肺として機能する選択透過性シリコンゴムであった。酸素は膜を通過してガス側から液体側へ、二酸化炭素は液体からガス側へ透過した。カエルは液体ループに浸かった。ポンプがガス含有ループを通じて酸素を循環させた。ガスループに入った二酸化炭素は吸収剤によって除去され、精製された酸素は再循環のためにポンプに戻された。水蒸発器と電気ヒーターによって水温は約60°F（16°C）に維持されました。FOEP内の増幅システムは、動物に埋め込まれた微小電極からの電圧出力をテレメトリー装置に必要なレベルまで増幅しました。
オペレーション
飛行用カエルの外科手術準備は打ち上げの約12時間前に完了し、動物はFOEP内に密封されました。同様の標本を用いた予備のFOEPも用意されました。飛行用FOEPは打ち上げの約3時間前に衛星に設置されました。
遠心分離機は、衛星が軌道に乗り、10 −3 g (10 mm/s²)で安定するとすぐに起動されました。遠心分離機は周期的に重力刺激を与えました。各周期は約8分間続き、以下の周期で構成されていました。1分間の無加速期間、8秒間のゆっくりとした回転開始期間、14秒間の一定0.6 g (6 m/s²) 期間、8秒間のゆっくりとした回転停止期間、そして回転の余効を測定できる6分間の期間。[ 6 ]周期は、軌道上での最初の3時間は30分ごとに実行され、残りの飛行期間中はより低い頻度で実行されました。
OFO実験は軌道上で7日目まで続けられましたが、その時点で搭載バッテリーが故障しました。OFO宇宙船とFOEPハードウェアの回収は必要ありませんでした。2匹のカエルは実験中に死亡しました。
結果
実験は成功しました。心電図（ECG）指標は、飛行中のカエルが全期間を通じて良好な健康状態にあることを示しました。前庭器官の記録は予想通りに行われました。飛行中に2つの機器の故障が発生しました。キャニスター内の圧力が1平方インチあたり11ポンド（76 kPa）まで上昇し、温度が9時間にわたって55°F（13°C）まで低下しました。しかし、地上で行われた対照実験では、これらの故障が飛行実験の結果にほとんど影響を与えなかったことが示されました。
無重力状態の初期段階では、いくつかの前庭反応の変化が観察されました。観察された変化はすべて、飛行の最後の10～20時間で正常に戻り、順応が起こったことを示唆しています。[ 6 ]
NASAは、カエルが軌道上で6日以上過ごした後、11月15日ワシントン時間正午直前に死んだと報告した。[ 7 ]
カエル耳石実験パッケージ（FOEP）
カエル耳石実験パッケージ（FOEP）には、2匹のカエルの生存を確保するために必要なすべての装置が含まれています。標本は、水を満たした自己完結型遠心分離機に収容され、軌道上で試験加速度を供給します。カエルは、埋め込まれた電極の脱落を防ぎ、代謝率を低下させるため、デモータ化されます。[ 8 ]
生命維持システム（LSS）：LSSはFOEP内の制御された環境を維持し、モーター停止した2隻のフロッグの生存と正常な機能を確保します。内部組立構造の下部隔壁は、すべての生命維持装置を搭載するためのスペースを提供します。
パッケージの寸法は直径18インチ（457mm）×長さ18インチ（457mm）、搭載時の重量は91ポンド（41kg）でした。データ収集は、心電図、体温、前庭活動から構成されていました。また、FOEPを飛行前に接続して換気を行い、宇宙船への搭載前の環境条件を検証するための地上設置型FOEP試験ユニットも搭載されていました。
キャニスター
FOEPの外側ハウジングは耐圧容器18である。+直径1 ⁄ 16インチ（459 mm）、 18+長さは1 ⁄ 2インチ (470 mm) です。底部閉鎖部と取り外し可能な上蓋は、圧力反転が発生した場合の破裂を防ぐため、わずかにドーム型になっています。内部アセンブリ構造は、キャニスターの底部から約6インチ離れた支持リングに固定されており、上部と下部の隔壁がシリンダーで連結されています。シリンダーの切欠きから、フロッグを収容する遠心分離機にアクセスできます。キャニスター上部付近には、電源とデータライン用の電気フィードスルーレセプタクルが2つあります。
遠心
遠心分離機は、直径6インチ、長さ13.5インチの中空円筒で、両端にキャップが取り付けられています。円筒はキャニスターに対して垂直に設置され、上部および下部の隔壁に収納されたボールベアリングによって支持されています。遠心分離機の回転軸は、円筒に対して直角に垂直面の中央に配置されたシャフトによって形成され、ボールベアリングによって所定の位置に保持されています。薄く浅いドーム型のエンドキャップは、漏れを防ぐためにゴム製のガスケットを介して遠心分離機の両端にボルトで固定されています。各キャップの中央には、カエルの標本を遠心分離機に挿入して浸漬する前に、エンドキャップに直接取り付けるための取り付け部があります。水は、打ち上げ時の高加速度と振動に対するクッションとして、またカエルの皮膚を介したガス交換の媒体として機能します。遠心分離機は所定の位置に固定されており、宇宙船の軌道が完全に安定するまで解放されません。遠心分離機を駆動するモーターは上部隔壁に取り付けられています。信号増幅器と加速度計は遠心分離機に取り付けられています。
中性浮力電極
マイクロ電極は、直径50μmのタングステン線プローブで構成され、電気的に直径1μm未満に尖らせられ、先端まで完全に絶縁されています。プローブを収容するポリエチレンチューブ内に閉じ込められた空気の泡が浮力を与え、電極の密度を埋め込まれた神経と同じにすることで、両者の動きを連動させます。パラフィン片を用いて電極をハンドルに接続しますが、このハンドルは埋め込み時にのみ使用され、その後取り外されます。マイクロ電極によって検出された神経インパルスは、カエルの顎に直接取り付けられた前置増幅器に送られ、宇宙船テレメトリ用の後置データ増幅器に送られます。
生命維持システム（LSS）
カエル耳石実験パッケージ（FOEP）の生命維持システム（LSS）は、FOEP内の環境を制御し、実験標本の生存と正常な機能を確保する。LSSは、体重350g（12オンス）の運動機能不全のカエル2匹の生理学的要件を満たすように設計されている。カエルは四肢神経を切断することで運動機能不全となり、代謝率が低下する。この状態では、カエルは人工呼吸を必要とせず、1ヶ月間も餌を与えなくても健康を維持できる。遠心分離機に設置されたカエルは、水中に完全に浸漬され、皮膚を通して酸素と二酸化炭素、そして熱の交換が行われる。[ 9 ]
LSSは主に2つの閉ループで構成されており、1つは液体、もう1つはガスを収容しています。内部組立構造の下部隔壁は、LSSのすべての機器を搭載するためのスペースを提供します。酸素供給システムはこれらのループを介して作動し、4.5cm³容量の酸素ボトル、減圧器および調整器、人工肺、CO2吸収装置、給水装置で構成されています。カエルの飼育環境の温度は、水蒸発器/加熱器によって限定的に制御可能です。
人工肺
ループ間のインターフェースは、液体とガスを分離するシリコンゴムの選択透過膜で形成されます。この膜は「肺」と呼ばれ、ガスループから液体ループへ酸素を、液体ループからガスループへ 二酸化炭素を通過させます。
液体ループ
遠心分離機に収容されたカエルは、液体ループの中にいます。肺からカエルへ向かうループには、水と溶存酸素が含まれています。カエルから肺へ戻るループには、水と遊離二酸化炭素が含まれています。遠心分離機の内部には、二重のポリウレタンフォームが敷かれており、カエルの排泄物が水循環システムを汚染するのを防いでいます。水は小型ポンプを使って液体ループを循環し、遠心分離機から出る前にフィルターを通過する必要があります。
ガスループ
ガスループは下部隔壁に設けられた回路で構成されており、小型ポンプによって酸素が循環されます。ポンプは純酸素を肺に送り込み、その一部は液体ループに送られ、残りは液体ループから供給される二酸化炭素と混合されます。肺から排出された酸素と二酸化炭素の混合液は、二酸化炭素を吸収するバラライム層を通過します。純酸素はバラライムからポンプに戻り、再循環されます。酸素供給は小型酸素タンクからのガスによって補充されます。
蒸発器/ヒーター
宇宙船の熱環境を考慮に入れ、水蒸発器と8ワットの電気ヒーターは水温を60±5°F（15.5±3°C）に維持します。蒸発器への水供給は、下部ドーム直上のキャニスター内のリングで支えられたゴム製のブラダーに収められています。水温が公称60°Fを超えると、地上からの指令によりタイミング回路が作動し、バルブが作動します。キャニスター内の周囲圧力により、水はブラダーからバルブを通り、蒸発器へと押し出されます。内部の熱負荷は熱交換器を介して蒸発器に伝達され、水の蒸発時に放散されます。
参照
参考文献
- ^ 「SP-4402 NASAの名前の由来」 NASAの歴史. 2018年11月29日閲覧。
- ^ a b c「Orbiting Frog Otolith Program」エイムズ研究センター。2006年9月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ a b c「NASAのOTO宇宙船打ち上げに伴い、レインのウシガエルは『大きな飛躍』を遂げる」。The Rayne Acadian-Tribune。1970年10月22日。1ページ。 2024年10月15日閲覧。
- ^ 「NASA、OFOテストにレインフロッグを選択」クロウリー・ポスト・ヘラルド、1970年10月4日、1ページ。 2024年10月15日閲覧。
- ^ "「『La Fete De Oua Oua Rons』が開催」。The Crowley Post Herald。1973年7月11日。1ページ。 2024年10月15日閲覧。
- ^ a b c d「Orbiting Frog Otolith-A」エイムズ研究センター。 2006年9月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ 「Rayne Space Frogs Dead」クロウリー・ポスト・シグナル1970年11月16日 p. 1 。 2024年10月15日閲覧。
- ^ 「カエル耳石実験パッケージ（FOEP）」エイムズ研究センター。2006年9月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ 「生命維持システム（LSS）」エイムズ研究センター。2009年3月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。
外部リンク
